¿Para qué sirven los sensores de oxígeno de banda ancha de 5 cables?

Febi bilstein explica cómo funcionan este tipo de sensores.

Los sensores de oxígeno de banda ancha de 5 hilos se utilizan en muchos sistemas de control de motores, incluyendo motores diésel y gasolina de inyección directa.

Están diseñados para medir los niveles de oxígeno en el escape para relaciones de combustible de aire entre 8:1 y el aire limpio.

La principal ventaja de este tipo de sensor es que permite a la unidad de control del motor determinar cuán rica o cuán pobre es la mezcla, a ambos lados de la lambda 1.

El sensor utiliza la misma tecnología que la mayoría de los sensores de banda estrecha. Se basa en la propiedad del dióxido de zirconio (ZiO2) para convertirse en un electrolito sólido a altas temperaturas.

En un sensor convencional de banda estrecha, el platino actúa como catalizador dividiendo las moléculas de oxígeno (O2) en dos átomos de oxígeno. Cada átomo entonces atrae dos electrones para convertirse en iones cargados negativamente. La diferencia entre el contenido de oxígeno en el gas de escape de un motor de encendido por chispa y el aire, produce una diferencia de potencial (DP) que hace que los iones de oxígeno migren a través del ZiO2. El dispositivo se llama célula de Nernst y está diseñado para que en el lambda 1 (14.7:1), la diferencia de potencial sea de 450mV. Una mezcla rica aumenta la DP y las mezclas débiles harán que se reduzca. (Fig.1)

Figura 1

¿Qué hay en su interior?

El sensor está formado por dos células de Nernst. Una célula mide la diferencia de niveles de oxígeno entre la célula de referencia de aire y la cámara de muestra, la otra actúa como bomba para impulsar el oxígeno dentro o fuera de la cámara de muestra. Aplicando un voltaje a la célula de Nernst, el oxígeno puede ser bombeado a través del dispositivo. Invertir la polaridad cambiará la dirección del flujo de corriente y, por lo tanto, el flujo de oxígeno.

La estrategia del circuito de control es mantener la primera tensión de la célula a 450mV. Esto significa que el contenido de oxígeno en la cámara de muestra representa la relación estequiométrica (lambda1). Esto se hace independientemente del contenido de oxígeno en el escape.

Uso

En Lambda1, el contenido de oxígeno en la cámara de muestra hará que la célula Nernst de color amarillo-negro produzca 450mV. El voltaje empujará contra los 3V provistos en la célula de referencia de aire para producir un voltaje de 2.55V en el cable amarillo. Esto se equilibra con el circuito de control de la bomba. Los dos voltajes son entradas al amplificador operacional A (un amplificador operativo que emite la diferencia en voltajes de las dos entradas). Las salidas del Opamp A son de 450mV. El Op-amp B tiene una entrada de 450mV de una fuente regulada, y 450mV de un op-amp A. La salida del op-amp B es 0V, esta condición se llama estasis.

Si el nivel de oxígeno aumenta en el escape (mezcla débil), el nivel de oxígeno en la cámara de muestra también aumentará.

Esto se debe a que las moléculas de oxígeno migran a la cámara de muestra a través del orificio de difusión (igualación de presiones parciales). Esto hará que el voltaje generado por el Nernst negro-amarillo caiga, efectivamente el voltaje empuja menos fuerte contra los 3V para que el voltaje en el cable amarillo comience a subir. Las entradas al opamp A disminuyen la diferencia, por lo que la salida del opamp A disminuye. Es decir, la salida del amplificador operativo B se elevará por encima de 0V. Esto provoca que el controlador PID aumente su voltaje de salida. Una corriente fluirá ahora en el Nernst rojo-amarillo. El flujo de corriente convencional será de rojo a amarillo, pero el flujo real de electrones será en la dirección opuesta, que bombea los átomos de oxígeno a través del ZiO2 fuera de la cámara de muestra, para que el nivel de oxígeno vuelva a ser el de la estasis.

El flujo de corriente es relativo al contenido de oxígeno. Cuanto más débil es la mezcla, mayor es el contenido de oxígeno, mayor es el voltaje en el cable rojo y mayor es el flujo de corriente en la célula Nernst rojo-amarillo. La corriente en el circuito de la bomba se mide mediante una resistencia de derivación y un amperaje de operación. Una resistencia de ajuste está instalada en el sensor para calibrar las tolerancias de fabricación.

Si la mezcla se enriquece, el nivel de oxígeno en la cámara de muestras comenzará a descender. El voltaje negro y amarillo de la célula Nernst aumentará empujando más fuerte contra los 3V. Esto hace que la diferencia de voltaje a través del Nernst aumente; consecuentemente el op-amp A emite un voltaje negativo. El transductor PID reacciona reduciendo su voltaje de salida a un nivel inferior al del cable amarillo, haciendo que la corriente fluya del amarillo al rojo. El flujo de electrones está en la dirección opuesta y como consecuencia se bombea oxígeno a la cámara de muestra para llevarla de vuelta a la estasis.

Normalmente no hay oxígeno en el escape de una mezcla rica, por lo que se libera del monóxido de carbono y del dióxido de carbono.

El circuito de calefacción

El sensor tiene que mantener una temperatura constante de alrededor de 760C; esto se logra mediante el circuito de calefacción. La temperatura es importante porque la resistencia del dispositivo cambia con la temperatura. El calentador se alimenta con la tensión de la batería y la conexión a tierra se realiza a través del ECM mediante PWM.

La temperatura se controla mediante un impulso en el circuito de Nernst. El flujo de corriente del impulso se mide como una caída de tensión, a través de una resistencia y un simple cálculo de la ley de ohmios dará la resistencia de la célula y por lo tanto la temperatura. El PWM del circuito de calefacción se ajusta en consecuencia para mantener una temperatura estable.

Un sensor defectuoso puede ocasionar una serie de problemas, lo que aumenta el consumo de combustible y las emisiones de los vehículos.

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